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地球一直悬浮在宇宙空间中?想多了,其实地球一直在向下坠落

 魅力科学君 2023-11-18 发表于四川

凭借现代航天科技,现在的我们已经可以看到大量的从外太空拍摄到的地球影像,而这些影像中都显示,地球并没有什么支撑,看到去就像是地球一直悬浮在宇宙空间中一样。

这样的情况就有点令人困惑,因为根据我们的常识,一个物体如果没有支撑,那么它就会向下坠落,但地球似乎并没有遵循这样的规律,为什么会这样呢?实际上,这是我们想多了,其实地球一直在向下坠落。下面我们就来看看这具体是怎么回事。

首先来讲,宇宙空间本身是没有上下之分的,而所谓的“上方”和“下方”其实都是我们自己定义的,所以我们需要先来定义一下,地球在宇宙空间中的“下方”,到底是哪个方向。

在地球上,我们通常都是根据地球引力的方向来定义“上”和“下”,简单来讲就是地球引力所指的方向,就是“下”,与之相反的方向则是“上”,正是因为如此,我们无论站立在地球表面的哪个区域中,都会觉得自己是“头上脚下”。

我们之所以会有这样的定义,其实是因为在绝大多数时候,地球引力都是我们在宇宙空间中受到的最大的力。那么,对于地球来讲,它在宇宙空间中受到的最大的力是什么呢?答案当然就是:太阳的引力。所以一个合理的定义就是:太阳引力所指的方向,就可以认为是地球在宇宙空间中的“下方”。

实际上,前文所讲的“地球一直在向下坠落”,其实就是指地球一直在向太阳坠落,但问题是,如果真是这样的话,那地球为什么没有坠入太阳呢?这可以通过一个思想实验来进行说明。

想象一个场景:我们在地球上的一座高山的山顶安装了一门大炮,然后我们沿着水平方向发射炮弹。在这种情况下,发射出的炮弹就会一边因为惯性而沿着水平方向飞行,一边因为地球引力的作用而向下坠落,所以它的飞行轨迹就是一条曲线,其弯曲程度与它的速度密切相关,速度越慢,弯曲得就越厉害,反之亦然。

如果我们发射的炮弹速度比较慢,它的飞行轨迹就会与地球表面相交,所以它最终就会坠落到地面上。但假如我们发射炮弹的速度越来越快,那么炮弹飞行轨迹的弯曲程度就会越来越小,当炮弹达到了一个特定的速度,以至于其飞行轨迹的曲率与地球表面的曲率相等,它与地球表面的距离就始终不会发生变化。

如此一来,就会出现“炮弹一直在向下坠落,但一直不会坠落到地面上”这样一种现象,在不考虑其他阻力的情况下,它就会沿着一个封闭的轨道一直围绕着地球运行。

(注:地球本身可以认为是一个球体,因此地球表面并不是平的,而是有一个曲率)

需要知道的是,这个思想实验有一个很有意思的名字——“牛顿大炮”,为什么呢?因为这是由牛顿提出来的。

实际上,“牛顿大炮”的原理也适用于地球本身,我们只需要将地球想象成炮弹,再将太阳想象成地球,就可以得出:地球并没有一直悬浮在宇宙空间中,其实它一直在向太阳坠落,但由于地球有一个特定的轨道速度,因此地球与太阳表面的距离就会一直在一个固定值的上下波动(因为地球围绕太阳的轨道是一个椭圆),而不会坠入太阳。

值得一提的是,时至今日,“牛顿大炮”的原理早已得到了广泛的应用,比如说围绕着地球运行的人造卫星和空间站。我们可以将其运行原理简单地理解为,人造卫星和空间站其实一直都在向地球表面坠落,但由于它们有一个特定的轨道速度,也就是我们常听到的“第一宇宙速度”,所以它们就可以一直围绕着地球运行。

正是因为如此,空间站上才会出现“失重”现象,其原理就是:空间站可以认为是一直在做自由落体运动,这样就会造成其中所有的物质都具备了同样的引力加速度,如此一来,物体之间以及组成物体的各部分之间都不会受到因为地球引力而产生的支撑力、拉力等等相互作用,看上去就像是地球引力消失了一样。

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